KR20210025768A - 동작 거리가 향상된 반사형 광센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동작 거리가 향상된 근거리 반사형 광센서에 관한 것이다. 일반적인 광센서와 같이 반사광의 유무에 의하여 물체를 검출하는 방법으로 사용되며, 광학적 구조에 따라 동작거리를 변형하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 반사형 광센서는 인쇄회로기판, 리드프레임 또는 이들의 조합에서 선택되는 기판; 상기 기판에 실장되는 발광칩 및 수광칩; 상기 발광칩과 수광칩의 주변을 소정 높이로 둘러싸는 두 개의 우물형 딤플; 및 상기 우물형 딤플에 충진된 보호용 수지를 포함하고, 상기 우물형 딤플의 적어도 하나가 비대칭 딤플인 것을 특징으로 한다.

Description

동작 거리가 향상된 반사형 광센서{Reflective sensor using asymmetric dimple structure with longer sensing lenge}
본 발명은 동작 거리가 향상된 근거리 반사형 광센서에 관한 것이다. 일반적인 광센서와 같이 반사광의 유무에 의하여 물체를 검출하는 방법으로 사용되며, 광학적 구조에 따라 동작거리를 변형하여 사용할 수 있다.
반사형 광센서는 일반적으로 목적물을 감지하여 그 위치를 정확히 파악하고자 광센서가 제안되어 포토인터럽터나 엔코더 등에 널리 사용되고 있다. 빛의 직진성과 반사성을 이용한 광센서는 발광소자에서 발사된 빛이 목적물에 부딪혀 반사된 다음 수광소자에 감지되도록 구성되어 있으며, 발광소자에서 발사된 빛이 목적물에 반사되어 수광소자에 감지되는 시간과 빛의 양 등을 측정하여 미리 계산된 프로그램을 통해 종합함으로써 목적물의 존재 여부를 정확하게 감지하여 판단할 수 있도록 구성되어 있다.
도 1은 종래 반사형 광센서의 개략적인 구성과 작동 메커니즘을 보여주는 개념도로서, 이를 통해 일반적인 광센서의 개략적인 구조를 설명한다. 도면을 참고하면, 광센서는 빛을 발사하는 발광소자(62)와 상기 발광소자(62)로부터 발사되어 목적물(70)에 반사된 빛을 감지하는 수광소자(64) 및 상기 발광소자(62)와 수광소자(64)의 전면에 배치되어 빛을 증폭하는 렌즈(50a)(50b)를 기본 구성으로 하고 있다.
상기 발광소자(62)와 수광소자(64)는 기판(60)에 고정되어 있으며, 미리 짜인 프로그램에 따라 전류가 공급되면 발광소자(62)가 빛을 발사하게 되고, 발사된 빛이 렌즈(50a)에서 증폭된 후 직진하여 목적물(70)에 부딪혀 반사되면 이를 수광소자(64)가 감지하게 된다. 이때에 수광소자(64)의 전면에 형성된 렌즈(50b)는 반사되는 빛을 증폭하여 감지성능을 향상시키게 된다. 이와 같이 감지된 빛은 광의 양 및 강도 등을 종합적으로 계산하여 목적물(70)의 위치를 감지하는바, 계산된 결과를 별도의 화면에 표시하여 시각적으로 알리거나 달리 경고음을 울려 청각적으로 알릴 수 있도록 구성된다.
전자 부품의 소형화에 따라서, 집광용 렌즈를 없애고 발광소자와 광소자를 하나의 기판 위에 실장하여 사용하는 소형 근거리 평판형 광센서가 개발되었다. 엑센도 주식회사에서 출원한 특허공개공보 10-2107-0126119호에서는 인입홈 내부에 발광칩과 수광칩을 실장하고, 인입홈을 수지로 충진한 반사형 광센서를 개시하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 외면에 회로 패턴(110)이 상면, 측면 및 하면에 걸쳐 형성되고, 상기 상면에 위치하는 상기 회로 패턴(110)의 말단에 대응되는 위치에 함몰된 인입홈(120)이 형성되어 있는 케이스(100); 상기 인입홈(120) 내부로 인입되어 상기 케이스(100) 상면에 형성된 상기 회로 패턴(110)과 결합되어 빛을 발광하고 상기 빛을 다시 수광하는 센서부(200); 및 상기 인입홈(120)의 개방된 면을 차폐하여 외부와 격리시키고, 상기 센서부(200)에서 발광한 상기 빛과 수광된 빛이 투과되는 투영부(300);를 포함하는 MID 패키지가 적용된 반사형 광센서 패키지에 관한 것이다.
하지만, 이러한 근거로 평판형 광센서는 발광 및 수광되는 광을 집광하기 위한 렌즈를 사용하지 않기 때문에, 두께가 얇아지는 효과가 있으나, 지향성이 부족하여, 사실상 붙어있을 정도의 근거리만 측정 가능하다는 단점이 있다.
이러한 반사형 광센서는 도 3에서 도시된 바와 같이, 발광칩과 수광칩의 물리적으로 일정 간격 이격되어 있으므로, 센서와 측정 물체(타겟)의 거리가 밀착되면 발광영역과 수광영역이 겹쳐지지 않게 된다. 측정 물체와 반사형 광센서가 이격되어 거리가 멀어짐에 따라 발광영역과 수광영역에 겹쳐지기 시작하며, 거리가 늘어나면 겹침 영역이 늘어나면서 센서의 출력 값이 높아지기 시작한다. 최대로 겹치는 거리에서 최대 출력값이 발생하고, 거리가 더 멀어지면 겹치는 영역이 줄어들면서 출력 값이 저하되기 시작하여, 거리가 더 멀어지면 출력값이 발생하지 않게된다. 최대 출력 값이 발생하는 거리를 통상적으로 작동거리로 표현한다.
본원 발명에서 해결하고자 하는 과제는 광을 집광하기 위한 렌즈를 사용하지 않으면서도 작동 거리가 늘어난 새로운 반사형 광센서를 제공하는 것이다,
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은
인쇄회로기판, 리드프레임 또는 이들의 조합에서 선택되는 기판;
상기 기판에 실장되는 발광칩 및 수광칩;
상기 발광칩과 수광칩의 주변을 소정 높이로 둘러싸는 두 개의 우물형 딤플; 및
상기 우물형 딤플에 충진된 보호용 수지를 포함하는 반사형 광소자를 제공하며, 상기 반사형 광센서는 측정거리를 연장할 수 있도록 상기 우물형 딤플의 적어도 하나가 비대칭 딤플인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 반사형 광센서는 발광칩이 실장되어 광을 발광하는 일측의 발광부와 수광칩이 실장되어 광을 수광하는 타측의 수광부로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 용어 '근거리'는 작동 거리가 0.5~5mm 범위를 의미할 수 있으며, 보다 바람직한 실시예에서는 1~3 mm 범위를 의미할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 용어 '비대칭'이라함은 광소자가 실장된 기판을 위에서 바라볼 때 딤플의 형상이 비대칭임을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 비대칭 딤플은 작동 거리가 늘어나도록 구성되며, 바람직하게는 딤플 측벽에서 반사된 반사광의 경로가 광축에 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 비대칭 딤플은 경사진 내벽과 수직하는 내벽의 조합으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 반사형 센서의 측정거리를 연장시킬 수 있도록, 다른 광소자와 인접한 영역은 경사진 내벽을 가지며, 다른 광소자에서 멀리 이격된 영역은 수직하는 내벽을 가질 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 경사진 내벽은 곡면, 예를 들어 2차 함수 형태로 형태로 곡면 경사진 내벽일 수 있으며, 곡면은 반사광의 경로가 광축에 경사지게 비구면으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 반사형 광센서의 작동거리는 추가적으로 칩사이의 거리를 조절하여 조절될 수 있으며, 바람직하게는 1~5mm 범위에서 조절될 수 있다.
본원 발명에서는 비대칭형 딤플을 이용하여 기존의 캐스팅 타입(Casting type) LED / 포토트랜지스터(PTr) 및/또는 집광 렌즈(Lens)를 대체함으로써, 소형화 및 원가 절감을 이룰 수 있도록, 비대칭 딤플 형상을 사용함으로서, 발광/수광 영역의 사이 거리에 따라서 원하는 동작거리를 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반사형 광센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따는 반사형 광센서의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 반사형 광센서의 거리와 출력의 관계를 보여주는 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 비대칭 딤플들을 가지는 반사형 광센서의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 비대칭 딤플들을 가지는 반사형 광센서의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 대칭형 딤플들을 가지는 반사형 광센서의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교실시예의 시뮬레이션 광경로를 보여주는 도면이다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니면, 본 발명을 예시하기 위한 것임을 인지하여야 한다.
실시예.
도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시에 따른 반사형 광센서(100)는 리드프레임(6)에 발광을 위한 LED 발광칩(1)과 반사 부재에서 반사된 광을 수광하기 위한 포토 트랜지스터(TR) 수광칩(5)이 실장된다.
리드프레임(6)에 실장된 발광칩(1)의 주변에는 상부 개방된 우물형 발광 딤플(2)이 형성되고, 수광칩(5)의 주변에는 상부 개방된 우물형 수광 딤플(4)가 형성된 몰드물(10)이 형성되고, 발광 딤플(2)과 수광 딤플(4)에는 에폭시 수지(3)가 충진된다. 리드프레임(6)은 몰드물(10)의 내부에서 외부로 연장된 후, 몰드물의 측면과 바닥면을 따라서 연장되어, 외부 전원에 연결된다. 도시되지는 않았지만, 리드프레임(6)에는 발광칩(1)의 발광을 제어하는 IC와 수광칩(5)에서 발생하는 전류를 전압신호로 변환시키고 증폭시키는 소자들이 함께 포함되며, 이는 본원 발명의 주요 내용이 아니므로 자세한 기재는 생략한다.
발광 딤플(2)은 발광칩(1)을 둘러싸는 측벽이 측면에서 바라볼 때 수광소자와 인접하는 측벽은 곡면 형태로 경사진 발광 경사면(2')을 형성하고, 수광소자와 반대측의 측벽은 수직하는 발광 수직면(2")를 가지는 비대칭 딤플로 이루어진다.
수광 딤플(4)은 수광칩(5)을 둘러싸는 측벽이 측면에서 바라볼 때 발광소자와 인접하는 측벽은 곡면 형태로 경사진 수광 경사면(4')을 형성하고, 발광소자와 반대측의 측벽은 수직하는 수광 수직면(4")를 가지는 비대칭 딤플로 이루어진다.
딤플들의 내부는 소자에서 방출되는 광 또는 소자로 수광되는 광에 투명한 수지, 예를 들어, 에폭시 수지로 충진되며, 에폭시 수지(3)는 발광 딤플(2)와 수광 딤플(4)을 완전히 충진하여 딤플들의 상면이 몰드물(10)과 실질적으로 동일한 높이를 이루도록 하여, 반사형 광센서(100)의 크기가 커지는 것을 방지하였다.
비교 실시예
도 6에서 도시한 바와 같이, 실시예와 대비되는 발광칩(1)의 둘레와 수광칩(5)의 둘레에 이들을 각각 둘러싸는 대칭형 발광 딤플(2)과 대칭형 수광 딤플을 형성한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 제조되었다. 딤플들의 내부도 실시예와 동일하게 소자에서 방출되는 광 또는 소자로 수광되는 광에 투명한 수지, 예를 들어, 에폭시 수지로 몰드물(10)과 동일한 높이로 충진되어, 반사형 광센서(101)의 크기가 커지는 것을 방지하였다.
특성 시험
실시 예에서 제조된 반사형 광센서(100)와 비교 실시 예에서 제조된 반사형 광센서(101)의 광경로를 시뮬레이션하여, 도 7에 도시하였다.
측정 길이의 연장을 위해서 비대칭형 딤플을 사용하는 반사형 광센서(100)는 발광칩(1)에서 측벽까지의 길이가 일정하지 않고, 전형적으로 칩에서 경사면의 하단까지의 거리보다 수직면의 하단까지의 거리가 더 크게 형성된다.
발광칩(2)에서 측면으로 방출된 광은 발광 경사면(2')과 발광 수직면(2") 방향으로 방출되었으며, 발광 경사면(2') 방향으로 방출된 광은 발광 경사면(2')에서 반사되어, 광축에 약간 경사지고, 수광축에서 멀어지는 방향으로 반사되어 전방으로 방출되었고, 발광 수직면(2") 방향으로 방출된 광은 반사되지 않은 상태로 퍼지면서 방출되거나 반사된 후 전면으로 방출되지 못하고 소멸되었다.
측정 물체에 반사되어 광 중에서 수광칩(5)의 측면 방향으로 입사되는 광은 수광 경사면(4')과 수광 수직면(4")에 입사되며, 수광축에 약간 경사지고, 발광축에서 멀어지는 방향에서 입사되는 광은 수광 경사면(2')에서 반사되어 수광칩(5)으로 입사되고, 수광 수직면(4")에 입사된 광은 반사되지 않고 그대로 입사되거나, 반사된 후 수광칩(5)로 입사되지 못하고 소멸되었다. 이로 인해, 타겟(200)에서 발광 촛점(210)과 수광 촛점(220)의 사이의 거리(d3)가 발광칩(2)과 수광칩(5) 사이의 거리보다 벌어지게 되었다.
이에 반해, 대칭형 딤플을 사용하는 반사형 광센서(101)에서는 발광칩(2)에서 측면으로 방출된 광은 딤플의 경사면에서 반사되어 발광축에 평행하게 방출되었으며, 측정 물체에 반사되 광은 수광축에 평행하게 입사되어, 딤플의 경사면에서 반사되어 수광칩(5)에 입사되었다. 이로 인해, 타겟(200)에서 발광 촛점(210)과 수광 촛점(220)의 사이의 거리(d2)가 발광칩(2)과 수광칩(5) 사이의 거리와 동일하게유지되었다.
결과적으로, 비대칭 딤플의 형상은 반사각도를 높여 주어 광경로를 칩 중앙을 중심으로 빔의 영역을 벗어나게 하며, 대칭형 딤플을 사용한 발광/수광 영역의 거리 d2 보다 비대칭 딤플을 사용한 발광/수광 영역의 거리 d3가 더 길어서 반사형 센서에 발광/수광 영역의 거리를 멀게하는 효과가 나타나고 동일 패키지 크기에서 동작거리를 늘릴 수 있게 된다.
1: LED 발광칩
2: 발광 딤플
3: 에폭시 수지
4: 수광 딤플
5: 수광칩
6: 리드프레임

Claims (4)

  1. 인쇄회로기판, 리드프레임 또는 이들의 조합에서 선택되는 기판;
    상기 기판에 실장되는 발광칩 및 수광칩;
    상기 발광칩과 수광칩의 주변을 소정 높이로 둘러싸는 두 개의 우물형 딤플; 및
    상기 우물형 딤플에 충진된 보호용 수지
    를 포함하고,
    상기 우물형 딤플의 적어도 하나가 비대칭 딤플인 것을 특징으로 하는 반사형 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 딤플의 측벽에서 반사된 반사광의 적어도 일부가 경로가 광축에 경사지게 형성되는 것을 측징으로 하는 반사형 광센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 딤플의 측면은 경사진 내벽 및 수직 내벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 광센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 딤플의 경사진 내벽은 경사진 곡면 내벽이며, 경사진 내벽에서 반사광의 경로가 광축에 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 반사형 광센서.
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